CC BY
32
УДК 631.365.25:633.853.494
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА КОМБИКОРМОВ В ХОЗЯЙСТВАХ
В.И. Сыроватка
Представлен анализ процесса СВЧ-обработки комбикормов, предложены технологии и оборудование для этого процесса.
Ключевые слова: СВЧ-энергия, почвенная инфекция, термическое обеззараживание, электрическое и магнитное поле, СВЧ-установка.
Цель - обосновать возможность эффективного применения СВЧ-техно-логии производства комбикормов и предложить малозатратную технику для этого процесса.
СВЧ-нанотехнология настоящего и перспектива будущего. СВЧ генерируется не только магнетроном, но является системной составляющей энергетики вселенной, где функционирует большое число галактик, в которой солнечная система, появившаяся недавно (4,5 млрд лет), и планета Земля с ее спутником представляются микроскопической точкой. Предполагают, что электромагнитное поле (ЭМП) СВЧ вселенной постоянно разогревают кремневые тугоплавкие минералы ядра земли до высоких температур, где избыток давления и образовавшаяся магма в виде вулканов регулярно сотрясают планету Земля и привели ее к большим многообразным изменениям.
Плазма заполняет 99,99% пространства вселенной. Плазма - обязательное условие протекания ядерных процессов на солнце, звездах и в ядерных реакторах. В плазме беспрепятственно распространяются электромагнитные волны, постоянно трансформируясь из электрического в магнитное поле и наоборот. Полагают, что такая форма существования материального мира и есть в будущем неисчерпаемый источник энергии.
«Под электроникой больших мощностей следует понимать тот раздел электротехники, в котором электротехника сверхвысоких частот (СВЧ) используется для получения непосредственного энергетического эффекта, когда энергия СВЧ-колебаний трансформируется в энергию ускоренных частиц, теплоту или другие виды энергии. В этом смысле СВЧ-энергетика является синонимом энергетики больших мощностей» [1].
Однако обработка СВЧ сельскохозяйственной продукции процесс энергоемкий.
СВЧ-энергетика пришла на смену применяемых технологий, так как позволяет сосредоточить большую электромагнитную энергию в малых объемах и сконцентрировать ее в нужном месте; СВЧ гибко трансформируется в другие виды энергии.
Использование СВЧ-колебаний для радиолокационной техники, порошковой металлургии, разделения изотопов и нагрева плазмы, остекления отходов атомных электростанций обеспечивает ускоренное применение новых эффективных технологий [2].
СВЧ-энергетика играет существенную роль в обработке пищевых продуктов, комбикормов, их сушке и хранении как перспективный способ энергосберегающих технологий. СВЧ энергетика получила широкое применение на предприятиях общественного питания и в быту.
Обеспечение безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов - важнейшее приоритетное направление государственной политики в области здорового питания населения России. Реализация этого направления подкреплена законодательной, нормативной и методической базой. Организован мониторинг состояния питания, качества и безопасности пищевых продуктов. Госсанэпидслужбой ежегодно проводится более полутора миллионов исследований по санитарно-химическим и более двух миллионов - по санитарно-микробиологическим показателям. При анализе наличия различных конта-минантов химической и микробиологической природы установлено, что наиболее часто эти показатели в зерне и продуктах его переработки не соответствуют требованиям.
Пищевая продукция, не соответствующая гигиеническим нормативам по микробиологическим показателям, по данным Госсанэпидем службы, с 1995 г. находится на уровне 7-8%, сейчас эта цифра значительно возросла.
В настоящее время для достижения температуры обрабатываемого комбикорма 170-1800С применяются сложные технологические схемы и дорогостоящее оборудование: первый этап - нормализация смеси (рассыпной комбикорм паром прогревается до 1000С); второй - пропускается смесь через экспандер, где смесь прогревается до 1300С (иногда через экструдер, где температура смеси достигает 1500С); и в заключение - корма подаются в гранулятор, где температура гранул достигает 1800С. Этой температуры недостаточно для более глубокой декстринизации крахмала (только 60%). Все это ведет к увеличению расхода электроэнергии.
Технологическую схему следует упростить и значительно снизить удельную энергоемкость, металлоемкость и капиталоемкость, что возможно при СВЧ-обработке отдельных ингредиентов, не соответствующих ГОСТу, компонентов, входящих в рецептуру комбикорма.
Известно, что зерна рапса, сои, люпина содержат 40-48% жира, поэтому плохо измельчаются, так как рабочие органы (решета, молотки, деки, вальцы) замасливаются и затем забивается вся рабочая камера машины, вследствие чего СВЧ-обработке подвергаются еще не измельченные семена или зерно. Также при воздействии СВЧ-энергии значительно снижается наличие вредной для животных эруковой кислоты, глюкозинолатов и происходит обеззараживание от грибов, бактерий, вирусов.
Устройства СВЧ-обработки комбикормов, сои и рапса. Предложены технология и оборудование, в частности устройство для непрерывной обработки кормов (рис. 1), которое обеспечивает плавную регулировку заданной экспозиции обрабатываемого сырья, позволяет использовать его для обработки более широкого перечня компонентов кормов с возможностью комплектации поточных линий за счет компактности и упрощения его конструкции, а также снижает материальные и эксплуатационные затраты [3,4].
Рис. 1. Устройство для непрерывной СВЧ-обработки кормов: 1 - СВЧ-генератор, 2 - передающая линия, 3 - проводящий элемент, 4 - рабочая камера,
5 - задвижка,
6 - заслонка,
7 - вибратор,
8 - концентраторы,
9 - распределители.
При работе СВЧ-генератора 1 электромагнитные волны через передающую линию 2 и проводящий элемент 3 возбуждают электромагнитные колебания в рабочей цилиндрической камере 4, в которую при открытой задвижке 5 поступают подлежащие обработке корма (например, комбикорма, семена рапса, зерна сои или люпина). Корма попадают на распределитель 9, выполненный в виде конуса, вершина которого направлена к задвижке 5, и по его конической поверхности, находящейся под углом а2 >31° (равный или больше угла естественного откоса обрабатываемого материала), и под собственным весом перемещаясь вниз, ссыпаются на внутреннюю наклонную поверхность с углом наклона а1>31° концентратора 8, выполненного в виде воронки, который расположен под распределителем 9 на расстоянии И=2°-25 мм. Далее корма скатываются на следующий распределитель 9, расположенный под концентратором 8 также на расстоянии И=2°-25 мм и входящий в него с зазором 5=12-15мм при разнице между радиусами воронки концентратора и конуса распределителя, равной (Б-ё)/2=15-20 мм, и так далее, пока обрабатываемый материал не до-
стигнет заслонки 6, снабженной вибратором 7, посредством которой разгружается рабочая цилиндрическая камера 4. При этом на протяжении всего пути продвижения обрабатываемого материала электромагнитные волны СВЧ-энергии беспрепятственно и всесторонне обрабатывают каждую частицу материала. Величиной открытия задвижки 5 и заслонки 6 регулируется экспозиция (время обработки) в зависимости от обрабатываемого материала. Процесс обработки происходит непрерывно и зависит только от заданной экспозиции обрабатываемого материала.
Также предложены способ и установка порционной СВЧ-обработки кормов (рис. 2), которая повышает качество обработки кормов при заданном времени обработки с максимальным использованием КПД при снижении энерго- и материальных затрат [5,6].
Рис. 2. Установка порционной СВЧ-обработки кормов: 1 - СВЧ-генератор, 2 - передающая линия, 3 - источник СВЧ-излучения, 4 - рабочая камера, 5 - загрузочный шлюз, 6 - направляющий обтекатель, 7 - вертикальный вал блока псевдоожижения, 8 - лопасти, 9 - выгрузной шлюз.
При работе СВЧ-генератора 1 электромагнитные волны через передающую линию 2 и источник СВЧ-излучения 3 (многослойный, многовитковый индуктор) возбуждают электромагнитные колебания в сферической рабочей камере 4, в которую при закрытом выгрузном шлюзе 9 и открытом загрузочном шлюзе 5 по направляющему обтекателю 6, выполненному в виде полусферы и служащему одновременно воронкой для загрузки кормов с диаметром засыпного отверстия ё=80-100 мм, загружается установленная порция обрабатываемых кормов (например, семена рапса, зерна сои или люпина, комбикорма) с коэффициентом загрузки объема сферической рабочей камеры 4, равным К=0,4-0,5. Далее загрузочный шлюз 5 закрывается и включается в работу блок псевдоожижения посредством вращения, со скоростью 350-400 об/мин, вертикального вала 7 с закрепленными на нем под углом к горизонтальной плоскости, не превышающим угол естественного откоса обрабатываемого корма, на расстоянии Н=1/4 Я от оси крепления до нижней части сферической камеры, лопастями 8,
имеющими зазор между внутренней поверхностью сферической рабочей камеры и их концами 5=0,4-0,6 мм и линейную скорость на концах 5-6 м/с. Загруженный в сферическую рабочую камеру материал захватывается лопастями, отбрасывается ими (швырок) от центра к внутренней поверхности рабочей сферической камеры и, обладая скоростью конца лопастей, перемещается по ней вверх, достигая направляющего обтекателя 6, который снимает псевдоожи-женный поток и направляет его вниз по оси, чему также способствует вакуум, создаваемый лопастями 8 в этом пространстве сферической рабочей камеры 4.
Таким образом, создается устойчиво циркулируемый псевдоожиженный поток (смесь обрабатываемых кормов и воздуха, текучая как жидкость по всему периметру - 36°°, внутренней поверхности сферической рабочей камеры 4), имеющий высокую однородность смеси, при которой каждая составляющая частица обрабатываемого материала без помех всесторонне подвергается СВЧ-обработке, что в свою очередь создает условие высокого КПД устройства. По истечении заданного времени (экспозиции) обработки открывается выгрузной шлюз 9, расположенный в нижней части сферической рабочей камеры на выходе, и при работающем блоке псевдоожижения лопастями 8 обработанный корм выгружается. Далее цикл повторяется. Время обработки (экспозиция) устанавливается в зависимости от вида обрабатываемого корма.
Фуражное зерно и другие компоненты, используемые для производства комбикормов, нередко в значительной степени обсеменены микроорганизмами, интенсивное развитие которых приводит к порче продукта, потерям в массе сухого вещества, снижению его качества. В зависимости от температурного оптимума все микроорганизмы подразделяются на холодостойкие (психрофиль-ные), теплолюбивые (термофильные) и имеющие оптимум при средних температурах (мезофильные). Микрофлора зерна в основном состоит из мезофиллов, имеющих максимальную температуру выживания 45°С. Для повышения питательной ценности и стерилизации комбикормов от микроорганизмов применяют термомеханические способы обработки: гранулирование, экспандирование, микронизацию и экструдирование. Все эти способы эффективны, но очень энергоемкие. Удельные затраты энергии в 2-3 раза выше, чем на приготовление рассыпных комбикормов (Сыроватка В.И. Машинные технологии приготовления комбикормов в хозяйствах. М., 2010. С. 118-123). Кроме того известно, что при влажности зерновых ингредиентов 10-16% влажность грибов, бактерий, вирусов и других болезнетворных и паразитирующих в них организмов составляет 30-40%. Эффект стерилизации возрастает в связи с избирательным нагревом СВЧ-энергией более влажной составляющей (Пат. 2033054, А 23 К 3/00, 20.04.1995).
Предложены универсальная установка и способ непрерывной поточной и цикличной СВЧ-обработки кормов (рис. 3), которая позволяет обеспечить регулировку экспозиции обрабатываемого сырья, снизить затраты энергии при заданном качестве обработки комбикормов [7,8].
Рис. 3. Установка теплового обеззараживания рассыпных комбикормов: 1-приемный бункер, 2-теплообменник, 3-загрузочный патрубок, 4-задвижка, 5-рабочая камера, 6-источник СВЧ-излучения, 7-передающая линия,
8-генератор, 9-вертикальный вал побудителя, 10-лопасти, 11-выгрузной патрубок, 12-объемный дозатор, 13-охладитель, 14-охлаждающий элемент, 15-центробежный
вентилятор, 16-система отвода воздушного потока.
При непрерывной (поточной) работе включается побудитель, и вертикальный вал 9 с закрепленными на нем по винтовой линии через 900 лопастями 10 приводится во вращение. Из бункера 1 через загрузочный патрубок 3 при открытой задвижке 4 рассыпные комбикорма загружаются в цилиндрическую рабочую камеру 5, затем включается источник СВЧ-излучения 6, связанный передающей линией 7 с генератором 8, и по истечении 50-60 с включается объемный дозатор 12, в который через выгрузной патрубок 11 поступает обработанный материал, захваченный лопастями 10, выполненными в виде Архимедовой спирали с вогнутостью в сторону вращения. При этом поток регулируется в зависимости от производительности объемного дозатора 12, зависящей от необходимого времени обработки (экспозиции) и передается далее в охладитель 13, имеющий пустотелые стенки и снабженный встроенным охлаждающим элементом 14, где охлаждается атмосферным воздушным потоком от включенного центробежного вентилятора 15 и самотеком выгружается из охладителя. Подогретый атмосферный воздух из охладителя по системе отвода подогретого воздушного потока 16 поступает в теплообменник 2, расположенный в приемном бункере 1, подогревает поступающие на обработку комбикорма, а отработанный (охлажденный) воздух отводится в атмосферу.
При цикличной работе из бункера 1 через загрузочный патрубок 3 при открытой задвижке 4 рассыпные комбикорма загружаются в цилиндрическую рабочую камеру 5, затем включается источник СВЧ-излучения 6, связанный передающей линией 7 с генератором 8, и побудитель, вертикальный вал которого
9 с закрепленными на нем по винтовой линии через 90° лопастями 10, приводится во вращение. Порция рассыпного комбикорма обрабатывается в течение заданного времени, по истечении которого включается объемный дозатор 12, в который через выгрузной патрубок 11 поступает обработанный материал, захваченный лопастями 10, выполненными в виде Архимедовой спирали с вогнутостью в сторону вращения, и передается далее в охладитель 13, имеющий пустотелые стенки и снабженный встроенным охлаждающим элементом 14, где охлаждается атмосферным воздушным потоком от включенного центробежного вентилятора 15 и самотеком выгружается из охладителя. Подогретый атмосферный воздух из охладителя по системе отвода подогретого воздушного потока 16 поступает в теплообменник 2, расположенный в приемном бункере 1, подогревает поступающие на обработку комбикорма, а отработанный (охлажденный) воздух отводится в атмосферу.
Наличие побудителя позволяет перемещать обрабатываемый материал во время обработки, а закрепленные на его валу по винтовой линии через 90° лопасти, выполненные в виде Архимедовой спирали с вогнутостью в сторону вращения, надежно захватывают комбикорма у стенок цилиндрической рабочей камеры и перемещают к выгрузному патрубку. Объемный дозатор при непрерывной работе установки регулирует поток обработанного материала, и его производительность определяется как: W
П = — т'
где W - вместимость цилиндрической рабочей камеры в кг; Т - время обработки (экспозиции) в сек.
При работе установки циклично объемный дозатор является заслонкой.
Выводы
1. На современном этапе происходит перевод технологий на энергию электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ). СВЧ широко используется в радиосвязи, радиолокации, телевидении, медицине, биологии, физике, астрономии, в области науки и техники для переработки хранения продуктов питания.
2. Главным фактором возникновения болезней зерна является высокий потенциальный запас почвенной инфекции возбудителя. Количество полей с высокой инфицированностью достигает в настоящее время 70%. Среднегодовой показатель потерь зерна, в зависимости от условий года, только от болезней составляет от 10 до 30 млн тонн. Это около 70% общего недобора урожая, вызванного всем комплексом вредных объектов, включая вредителей и сорные растения. При этом удельный расход комбикормов, приготовленных из такого зерна, возрастает в 1,2-1,5 раза.
3. Обработка комбикормов и отдельных ингредиентов электромагнитным полем сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) вызвана необходимостью перевода крахмала в усвояемые декстрины и полисахариды; нейтрализации антипита-
тельных веществ ингибиторов в сое и эруковой кислоты в рапсе; обеззараживания токсичных для людей и животных бактерий, грибков и микробов в зерновых компонентах комбикормов; тепловой обработки рыбной, мясокостной муки, мелассы и жиров. Применение СВЧ-обработки позволяет упростить технологию производства комбикормов, значительно снизить удельную энерго- и материалоемкость.
4. Для выведения антипитательных веществ из семян сои и эруковой кислоты из семян рапса целесообразно применять СВЧ-обработку в тепловом режиме от 1500С до 4000С. При частоте СВЧ-тока в интервале 2820-2850 МГц и его удельной мощности 18-20 кВт/кг экспозиция обработки 30-45 с.
5. Наиболее эффективно применять для тепловой обработки отдельных зерновых компонентов избирательный нагрев СВЧ-энергией: болезнетворных и паразитирующих микроорганизмов, белковые молекулы которых имеют минимальную влажность 30-40% при влажности белковых молекул зерновых ингредиентов комбикормов 10-16%, до максимальной точки выживания термофильной группы микроорганизмов 800С как в поточном, так и в цикличном режиме.
Литература:
1. Капица П.Л. Электроника больших мощностей. М.: АН СССР, 1962. 195 с.
2. Диденко А.Н. СВЧ-энергетика: теория и практика. М.: Наука, 2003. 447 с.
3. Пат. 2460404 РФ. Устройство для непрерывной СВЧ-обработки кормов / В.И. Сыроватка, Т.В. Комарчук, Н.В. Обухова // БИ. 2012. №25.
4. Пат. 2457747 РФ. Способ тепловой обработки кормов электрофизическим методом / В.И. Сыроватка, Ю.А. Иванов, Т.В. Комарчук [и др.] // БИ. 2012. №22.
5. Пат. 2471388 РФ. Установка порционной СВЧ-обработки кормов / В.И. Сыроватка, Т.В. Комарчук, Н.В. Обухова // БИ. 2012. №26.
6. Пат. 2471390 РФ. Способ порционной СВЧ-обработки кормов / В.И. Сыроватка, Т.В. Комарчук, Н.Т. Обухова // БИ. 2012. №26.
7. Пат. 2471391 РФ. Установка теплового обеззараживания рассыпных комбикормов / В.И. Сыроватка, Н.В. Обухова, А С. Обухов, Н С. Сергеев // БИ. 2012. №27.
8. Пат. 2481049 РФ. Способ теплового обеззараживания рассыпных комбикормов / В.И. Сыроватка, Ю.А. Иванов, А С. Обухов, Н.П. Мишуров // БИ. 2013. №13.
9. Иванов Ю.А. Направления научных исследований по механизации и автоматизации животноводства // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2009. №1(8). С. 10-18.
10. Иванов Ю.А. Автоматизация процессов как фактор повышения эффективности производства животноводческой продукции // Сб. докл. IX Межд. науч.-практ. конф. Углич, 2006.
Сыроватка Владимир Иванович, академик Россельхозакадемии, заведующий отделом ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства E-mail: [email protected]
Provides the analysis of the process of SHF processing of animal feed, proposed technologies and equipment for this process.
Keywords: microwave energy, soil infection, thermal disinfection, electric and magnetic field, UHF-installation.
